医学仪器原理实验指导书

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1、电子科技大学 生命科学与技术学院本科教学实验指导书（实验）课程名称： 医学仪器原理 电子科技大学教务处制表前言 一、 心电的有关知识：1、什么是心电？心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电。2、什么是心电图？心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的

2、图形成为临床常规心电图（electrocardiogram ECG）（简称ECG）。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。3、心电图产生的机理 心脏是人体血液循环系统中的重要的器官，依靠心脏的节律性收缩和舒张，血液才能够在封闭的循环系统中不断的流动，输送氧气排出废气，使生命得以维持。在正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。具体的说，窦房结发出一个兴奋首先传导右心房，使右心房开始收缩，同时兴奋经过房间束传到房室结，再由房室结通过房室及其左右分支肯氏纤维传到心室。由于从心房到心室具有特殊传导途径，使由心房传下的兴奋能够在较短时间

3、内到达心室各部分，引起心室的激动。 因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的生物电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织的和体液反映到身体表面上来，使身体各部位在每一个心动周期中也都发生有规律的生物电变化，即为心电位。若把测量电极放置在人体表面的一定部位，记录出来的心脏电位变化曲线即为临床常规心电图（electrocardiogram ECG）。因此，心电图可反映心脏兴奋的产生传导和恢复过程中的生物电变化。心电图典型波形如下1) P波： 心脏的兴奋发源于窦房结，最先传至心房，故心电图各波中最先出现的是代表左右两心房兴奋过程的P波。兴奋在向两心

4、房传播过程中，其心电去极化的综合向量先指向左下肢，然后逐渐转向左上肢。如将各瞬间心房去极的综合向量连结起来，便形成一个代表心房去极的空间向量环，简称P环。P环在各导联轴上的投影即得出各导联上不同的P波。P波形小而圆钝，随各导联而稍有不同。P波的宽度一般不超过0.11秒，电压（高度）不超过0.25毫伏。2) PR段： 是从P波终点到QRS波起点之间的曲线，通常与基线同一水平。PR段由电活动经房室交界传向心室所产生的电位变化极弱，在体表难于记录出。3) PR间期： 是从P波起点到QRS波群起点的时间距离，代表心房开始兴奋到心室开始兴奋所需的时间，一般成人约为0.120.20秒，小儿稍短。超过0.2

5、1秒为房室传导时间延长。4) QRS复合波： 代表两个心室兴奋传播过程的电位变化。由窦房结发生的兴奋波经传导系统首先到达室间隔的左侧面，以后按一定路线和方向，并由内层向外层依次传播。随着心室各部位先后去极化形成多个瞬间综合心电向量，在额面的导联轴上的投影，便是心电图肢体导联的QRS复合波。典型的QRS复合波包括三个相连的波动。第一个向下的波为Q波，继Q波后一个狭高向上的波为R波，与R波相连接的又一个向下的波为S波。由于这三个波紧密相连且总时间不超过0.10秒，故合称QRS复合波。QRS复合波所占时间代表心室肌兴奋传播所需时间，正常人在0.060.10秒之间。5) ST段： 由QRS波群结束到T

6、波开始的平线，反映心室各部均在兴奋而各部处于去极化状态，故无电位差。正常时接近于等电位线，向下偏移不应超过0.05毫伏，向上偏移在肢体导联不超过0.1毫伏，在单极心前导程中V1，V2，V3中可达0.20.3毫伏；V4，V5导联中很少高于0.1毫伏。任何正常心前导联中，ST段下降不应低于0.05毫伏。偏高或降低超出上述范围，便属异常心电图。6) T波： 是继QRS波群后的一个波幅较低而波宽较长的电波，反映心室兴奋后再极化过程。心室再极化的顺序与去极化过程相反，它缓慢地从外层向内层进行，在外层已去极化部分的负电位首先恢复到静息时的正电位，使外层为正，内层为负，因此与去极化时向量的方向基本相同。连接

7、心室复极各瞬间向量所形成的轨迹，就是心室再极化心电向量环，简称T环。T环的投影即为T波。再极化过程同心肌代谢有关，因而较去极化过程缓慢，占时较长。T波与ST段同样具有重要的诊断意义。7) U波： 在T波后0.020.04秒出现宽而低的波，波高多在0.05毫伏以下，波宽约0.20秒。一般认为可能由心舒张时各部产生的负后电位形成，也有人认为是浦肯野氏纤维再极化的结果。血钾不足，甲状腺功能亢进和强心药洋地黄等都会使U波加大。4、导联：动物机体组织和体液都能导电，将心电描记器的记录电极放在体表的任何两个非等电部位，都可记录出心电变化的图形，这种测量方法叫做双极导联，所测的电位变化是体表被测两点的电位变

8、化的代数和，分析波形较为复杂。如果设法使两个测量电极之一，通常是和描记器负端相连的极，其电位始终保持零电位，就成为所谓的“无关电极”，而另一个测量电极则放在体表某一测量点，作为“探查电极”，这种测量方法叫做单极导联。由于无关电极经常保持零电位不变，故所测得的电位变化就只表示探查电极所在部位的电位变化，因而对波形的解释较为单纯。目前在临床检查心电图时，单极导联和双极导联都在使用。常规使用的心电图导联方法有12种，如下图所示。 标准导联 属双极肢体导联，只能描记两电极间的电位差。电极连接方法是：第一导联（简称），右臂（-），左臂（）；第二导联（简称），右臂（），左足（）；第三导联（简称III），左

9、臂（-），左足（+）。放在右下肢的电极称为：“无关电极”，它有助于描记稳定。加压单极肢导联 将探查电极放在标准导联的任一肢体上，而将其余二肢体上的引导电极分别与5000欧姆电阻串联在一起作为无关电极。这种导联记录出的心电图电压比单极肢体导联的电压增加50左右，故名加压单极肢体导联。根据探查电极放置的位置命名，如探查电极在右臂，即为加压单极右上肢导联（aVR），在左臂则为加压单极左上肢导联（aVL），在左腿则为加压单极左下肢导联（aVF）。单极胸导联 将一个测量电极固定为零电位（中心电端法），把中心电端和心电描记器的负端相连，成为无关电极。另一个电极和描记器正端相连，作为探查电极，可放在胸壁的不

10、同部位。分别构成6种单极胸导联，电极的位置是：V1，胸骨右缘第4肋间；V2，胸骨左缘第4肋间；V3，在V2与V4连线的中点；V4，左锁骨中线第5肋间；V5，左腋前线与V4同一水平；V6，在腋中线与V4同一水平。本实验系统采用的是标准导联I。 5、心电图的意义及应用 心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。心电图可以分析与鉴别各种心律失常；也可以反映心肌受损的程度和发展过程和心房、心室的功能结构情况。在指导心脏手术进行及指示必要的药物处理上有参考价值。然而，心电图并非检查心脏功能状态必不可少的指标。因为有时貌似正常的心电图不一定证明心功能正常；相反

11、，心肌的损伤和功能的缺陷并不总能显示出心电图的任何变化。所以心电图的检查必须结合多种指标和临床资料，进行全面综合分析，才能对心脏的功能结构做出正确的判断。二、 心电信号采集处理实验项目及其说明1、实验目的：本实验通过采集心电信号并对其进行处理，来加深对实际应用中信号处理方法的认识，了解心电信号的有关知识，并完成对心电信号的处理采集，将心电信号完整地采集到计算机中进行显示。2、实验构成：本实验一共分为5个模块：采集模块、滤波模块、放大模块、陷波模块、A/D转换模块，分别完成后集成到一块底板上，再通过USB口输出到计算机上，得到处理后的波形。3、实验原理：心电信号可以通过在人身体上的表面电极进行采

12、集，但是采集到的信号会有许多干扰信号，其强度远大于需要测量的生理信号，这就需要搭建电路将干扰信号滤除。干扰信号中最强的莫过于50Hz工频干扰，它源自日常生活中使用的电源，无处不在。另外，人身体的运动、电极与人身体产生的极化现象等都会产生干扰。在一般情况下，这些干扰信号是十分微小的，但所要采集的心电信号也十分微弱，要进行大比例的放大，使这些干扰信号的影响也急剧增大，所以一定要滤除。采集到的信号要输入计算机，但滤波后得到的是模拟信号，所以要通过A/D转换使其变为数字信号，再经USB传入计算机。4、用途：本实验得到的心电信号虽然由于采集方式以及信号处理方法较为简单，得到的波形不宜用于医学诊断，但得到

13、的信号波形以及时序是准确的，可以用于心电监护仪器。实验一 心电信号的采集及前置放大一、实验目的1初步学会人体心电的测量方法。2学习使用医用放大器芯片实现心电前置放大电路。二、实验原理 心电信号前置放大原理电路如下图所示。心电信号的采集使用了标准肢体I导联，电路中RL,RA,LA三个插座由三个心电电极夹接入，分别接人体右腿、右手、左手。由右手与左手输入的信号经AD620差动放大，得到心电信号。连接右腿的电极起反馈作用，向身体输入信号，起到平稳心电信号的作用。电路中的普通运放有两个，所以采用了二运放芯片NE5532。本实验中使用的医用放大器芯片AD620是一款常用的医用放大器芯片，其特点是精度高，

14、放大倍数准确，能够将十分微小的信号放大，常用于医用仪器的设计。AD620的放大倍数由RQ1到RQ4控制，G=(49.4k/RG)+1。AD620是早期常用的芯片，近两年TI（Texas Instruments）公司出品了一款新型的医用放大器芯片INA333，其管脚分布与AD620相同，但更为精密，体积也更小。本实验采用AD620芯片已经足够，该芯片价格低廉，安装也相对方便。三、实验内容调试心电测量电路，测量人体心电，观察标准模块输出，自行制作模块观察效果区别。四、实验步骤1利用板上的信号源调试电路（1） 连接电源线，将底板上的开关拨到DSP端，安装采集模块，打开电源。（2） 用示波器观察采集模

15、块的输出端，查看波形。2测量人体的心电（1） 关闭电源，将底板上的开关拨到ECG端。（2） 连接心电电极夹，并将三个电极夹分别夹在人体左、右手腕和右脚腕处。（3） 打开电源，在采集模块输出端用示波器观察输出的心电波形。3. 自制模块（1）根据实验提供的采集模块电路原理图自制PCB图。（2）经过打印、转印、腐蚀、钻孔，制作出电路板。（3）将电子器件焊接到相应位置。（4）用自制模块取代原有模块重复实验步骤1、2，并与原先结果作比较。五、注意事项只经过一次放大的心电信号十分微弱，观察时应将示波器比例调大。 实验二 心电信号的高通与低通滤波一、实验目的1了解心电信号中干扰噪声的来源。2学习构建有源滤波

16、器的有关知识。二、实验原理心电信号高通与低通滤波原理电路如下图所示。从前置放大器中得到的信号并不是单纯的心电信号，其中包含了电极极化干扰、基线漂移、人体移动产生的干扰、使用仪器的噪声等等。其中，电极极化干扰会产生几百毫伏的极化电压，前置电路可能产生的基线漂移也会使信号中出现一部分直流分量，这对后续的信号放大是十分不利的。因为后续放大会连同直流分量一同放大，可能会超出电源。人身体的移动也会产生一定的低频分量，影响观测，所以需要通过高通滤波将低频以及直流分量滤除。而仪器的使用过程中常会产生高频干扰，会导致无法观测清晰波形，也需要滤除。因此在此实验中，为了提高滤波的效果，分别将一阶高通和低通滤波进行

17、了两次，通过使用一块4运放芯片，连续进行了4次有源滤波，将心电信号中的有用成分保留，干扰去除。因为心电信号较微弱，滤波中有可能产生衰减，信号本身也需要放大，所以在滤波的同时将其放大到两倍。三、实验内容使用滤波模块滤除心电信号中的噪声，观察信号通过模块前后噪声的差别，自制滤波模块替换标准模块，对比二者的效果。四、实验步骤1利用板上的信号源调试电路（1） 连接电源线，将底板上的开关拨到DSP端，安装前两个模块，打开电源。（2） 用示波器观察采集模块的输出端，查看波形。（3） 用示波器观察滤波模块的信号输出端，查看波形，与步骤（2）中的波形作对比。2测量人体的心电（1） 关闭电源，将底板上的开关拨到

18、ECG端。（2） 连接心电电极夹，并将三个电极夹分别夹在人体左、右手腕和右脚腕处。（3） 打开电源，在采集模块输出端用示波器观察输出的心电波形。（4） 用示波器观察滤波模块的信号输出端，查看波形，与步骤（3）中的波形作对比。3. 自制模块（1）根据实验提供的滤波模块电路原理图自制PCB图。（2）经过打印、转印、腐蚀、钻孔，制作出电路板。（3）将电路元器件焊接到相应位置。（4）用自制模块取代原有模块重复实验步骤1、2，并与原先结果作比较。五、注意事项滤波电路的截止频率是由电阻和电容决定的，自制电路选择阻值和容值时要经过理论计算。实验三 心电信号的比例放大一、实验目的1. 学习搭建比例放大电路。2

19、学习搭建加法电路。3熟悉运算放大器的使用。二、实验原理心电比例放大电路原理图如下图所示。心电比例放大电路从滤波电路中输出的信号虽然已经经过了一定的放大，但由于心电信号过于微弱，这些放大还不能满足后续处理的需要，所以要在经过专门的放大电路进行放大。本实验中采用了较为简单的运放同向比例放大电路，两级分别可以将输入信号放大3倍。考虑到心电信号强度因人而异，后级添加了一个可调放大倍数的放大电路，并增加了一个加法器作为抬升电路，可以调节信号的幅度。三、实验内容使用运算放大器放大心电信号，另外构建一个可调的抬升电路。四、实验步骤1利用板上的信号源调试电路（1） 连接电源线，将底板上的开关拨到DSP端，安装

20、前三个模块，打开电源。（2） 用示波器观察滤波模块的输出端，查看波形。（3） 用示波器观察放大模块的信号输出端，查看波形，与步骤（2）中的波形作对比。2测量人体的心电（1） 关闭电源，将底板上的开关拨到ECG端。（2） 连接心电电极夹，并将三个电极夹分别夹在人体左、右手腕和右脚腕处。（3） 打开电源，在滤波模块输出端用示波器观察输出的心电波形。（4） 用示波器观察放大模块的信号输出端，查看波形，与步骤（3）中的波形作对比。（5） 调节放大倍数选择和抬升电路，观察其效果。3. 自制模块（1）根据实验提供的放大模块电路原理图自制PCB图。（2）经过打印、转印、腐蚀、钻孔，制作出电路板。（3）将电子

21、器件焊接到相应位置。（4）用自制模块取代原有模块重复实验步骤1、2，并与原先结果作比较。五、注意事项控制放大倍数的拨码开关，只能有一位拨向右侧，才能正常作用。实验四 心电信号的陷波去噪一、实验目的1学习心电陷波器的原理。2学习使用LMF100芯片搭建陷波器的方法。二、实验原理实验心电信号陷波原理电路如下图所示。在采集到的心电信号中最大的干扰分别为50Hz工频干扰和35Hz肌电干扰。这两种干扰都集中在一个频率上，其所在频率的附近包含着有用的心电信号，所以不能整体通过高通或低通滤除，这就需要使用陷波器将单一频率滤除。LMF100是一款通用滤波芯片，通过外接电阻的阻值以及连接方法可以实现高通、低通、

22、带通、带阻以及陷波电路。本陷波模块通过一个LMF100芯片构建了两个陷波器，分别滤除50Hz和35Hz的干扰信号。LMF100陷波的原理是输入一个时钟信号fCLK，滤除的频率为fCLK/100。因此需要一个单片机专门为LMF100提供5KHz和3.5KHz两种时钟信号，便可以达到陷波效果。信号经过LMF100陷波后，会产生高频干扰，这是由电路本身产生的，所以要再加一级低通滤波，得到较为平滑的波形。三、实验内容搭建陷波电路，滤除心电信号中50Hz的工频干扰和35Hz的肌电干扰。四、实验步骤1利用板上的信号源调试电路（1） 连接电源线，将底板上的开关拨到DSP端，安装前四个模块，打开电源。（2）

23、用示波器观察放大模块的输出端，查看波形。（3） 用示波器观察陷波模块的信号输出端，查看波形，与步骤（2）中的波形作对比。2测量人体的心电（1） 关闭电源，将底板上的开关拨到ECG端。（2） 连接心电电极夹，并将三个电极夹分别夹在人体左、右手腕和右脚腕处。（3） 打开电源，在放大模块输出端用示波器观察输出的心电波形。（4） 用示波器观察陷波模块的信号输出端，查看波形，与步骤（3）中的波形作对比。3. 自制模块（1）根据实验提供的陷波模块电路原理图自制PCB图。（2）经过打印、转印、腐蚀、钻孔，制作出电路板。（3）将电子器件焊接到相应位置。（4）用自制模块取代原有模块重复实验步骤1、2，并与原先结

24、果作比较。五、注意事项陷波器的参数是由LMF100的1、2、3、18、19、20管脚接的电阻和10、11管脚输入的信号频率决定的，制作时需查资料计算。实验五 心电信号的A/D转换一、实验目的1掌握A/D转换的原理。2学习搭建A/D转换电路。二、实验原理心电信号的模数转换原理电路如下图所示。心电信号要输入到计算机中，在显示器上显示出，用模拟信号是无法做到的，所以要经过一步A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，经USB口输入进计算机中。本实验在A/D转换芯片方面采用了TLC2543，这是一款可以实现11路模拟信号同时输入，通过控制管脚进行选择。A/D芯片需要与一单片机进行通讯，因此将几个输入输出的

25、管脚接到一插座，通过排线与单片机相连，将转换好的信号传入单片机，再由单片机传至USB通讯芯片，经一USB连接线传入计算机。三、实验内容将心电信号通过A/D转换变为数字信号经数据采集卡传入电脑中，并通过提供的上位机软件在电脑上显示心电波形。四、实验步骤1利用板上的信号源调试电路（1） 连接电源线，将底板上的开关拨到DSP端，安装前所有模块，打开电源。（2） 用示波器观察陷波模块的输出端，查看波形。（3） 连接数据采集卡，打开上位机软件，点“开始”，观察电脑上显示波形，与上一步中示波器看到的波形对比。2测量人体的心电（1） 关闭电源，将底板上的开关拨到ECG端。（2） 连接心电电极夹，并将三个电极夹分别夹在人体左、右手腕和右脚腕处。（3） 打开电源，在陷波模块输出端用示波器观察输出的心电波形。（4） 打开上位机软件，点“开始”，观察电脑上显示波形，与上一步中示波器看到的波形对比。3. 自制模块（1）根据实验提供的陷波模块电路原理图自制PCB图。（2）经过打印、转印、腐蚀、钻孔，制作出电路板。（3）将电子器件焊接到相应位置。（4）用自制模块取代原有模块重复实验步骤1、2，并与原先结果作比较。五、注意事项要先连接好数据采集卡再打开上位机软件，否则软件会提示硬件连接有问题，无法正常显示波形。